在科學教育領域，模型建構能力被視為科學思維的核心，其教育價值逐漸受到重視。隨著《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）的實施，模型建構被明確列為科學思維要素，成為教育目標的重要組成部分。然而，建模過程復雜，如何在高中物理教學中培養學生的建模能力一直是個挑戰。筆者分析電源模型建構的過程，借此展示如何借助數字化實驗裝置（DISlab）提升學生的建模能力，并以閉合電路歐姆定律的教學為例，探討建模能力的內隱和外顯特質，提出相應的教學模式，破解當前教學中存在的問題。一、科學建模教育的挑戰與數字化實驗的機遇課標將科學思維定義為基于經驗事實建構物理模型的過程，并強調模型建構能力的重要性，將其納入課程目標[1]。科學建模教育理論自1984年由Hestenes的學生Halloun首次提出以來，已成為國際教育研究熱點[2][3]。在培養學生核心素養的導向下，教師的科學建模教育研究聚焦于學生建模素養的發展，旨在建構科學建模素養模型并探索有效的教學方法[4]。課標鼓勵教師采用多樣化教學方式，利用信息技術引導學生深入理解物理學本質，培養科學思維和問題解決能力。數字化實驗以其簡化測量、實時呈現、規律可視化等優勢，使學生能夠直觀地掌握實驗規律，簡化操作流程，節省時間，從而更專注于對探究過程和物理概念的理解，有效促進物理模型的建構和建模能力的培養。“閉合電路的歐姆定律”作為電學核心內容，是學生學習模型建構思想方法的重要素材。學生在初中已學習歐姆定律，但在高中學習閉合電路歐姆定律時，常混淆電動勢與路端電壓。學生分析復雜電路存在困難，主要因為缺乏清晰的電源模型[5]。建構電源模型既是掌握閉合電路歐姆定律的前提，又是電學學習的基礎。然而，教師直接告知學生電源的電動勢和內阻表征方式，忽視學生的經驗感知，容易導致學生對電源內部電路的理解不足[6]。為此，筆者對教學活動進行規劃與設計，讓學生經歷電源模型的建構過程，深化對閉合電路歐姆定律的理解，并為提升學生的建模能力提供可行的教學方案。二、建構取向下的建模循環模型（一）建構取向下的建模實踐能力具有外顯和內隱兩種特質自20世紀80年代以來科學建模能力逐漸受到教育研究者的重視，相關原理也逐漸被運用于教學之中。但人們關于科學建模能力的研究取向并不相同，隨著研究的深入，建構取向逐漸獲得了更多研究者的認可。建構取向強調主客體相互作用，將外部刺激、內部心智過程和外在建模行為視為統一的整體，認為建模是主體與外界的動態交互過程，是主動的意義建構過程，既強調內部的心智活動，又強調外在的行為表征，注重建模的整體動態性[7]。建構取向最具代表性的觀點是Lopes提出的。他將建模理解為通過與所謂“情境問題”的情境相關聯的任務來使用、構造概念的方法。建模能力就是一個人試圖解決情境問題時，隱藏在表現中的調動、選擇、使用和清楚表達信息和知識的有效能力。他根據概念構造理論將建模能力分成三個維度：“面對方式”（wayoffacing）、“概念化”（conceptualization）和“操作工作”（operativework）[8]。這些概念對解釋建模過程的內部心智活動和外在行為表征具有重要參考價值，推動了建模理論的發展。Lopes的理論，尤其是他提出的三維能力結構已被越來越多的科學教育研究者關注，但將建模能力作為培養目標的物理教學卻缺少與之相關的案例，以說明建模過程的內部心智活動和外在行為表征的關聯。筆者以高中物理“閉合電路歐姆定律”的教學難點——創建“電源模型”的具體問題情境為例，借助Lopes提出的“面對方式”“概念化”“操作工作”等概念，闡述如何在學生學習過程中提升學生模型建構的能力。（二）建構取向下的建模實踐過程是內外相互作用的循環過程根據Lopes的理論，建模是學習者借助心智模型在外界的問題情境和內部的概念域之間相互作用的過程。學習者面對問題情境，自發建構解釋問題情境的心智模型，澄清假設，糾正歧義，得到合理的答案。在此過程中，學習者將可接受的科學知識納入心智模型，以便將其轉化為概念模型，建構和拓展最初的概念域。“面對方式”是學習者在面對情境和現象時，進行類比推理在概念域中尋找能與之相似的情境和概念來試圖解決該情境問題的能力，是建模能力的一個重要內隱特質。“概念化”是學習者在調動相應概念之后，對情境問題和現象進行心理表征，將對象、事件和整個情境問題進行理想化，抽象出關鍵特征，并建構解釋情境問題和現象的心智模型的能力，也是建模能力的重要內隱特質。在經過以上兩種內部心智活動之后，學習者建構了解釋情境問題和現象的心智模型，接下來就需要付諸實踐，使用符號表征將其外顯并通過科學的分析流程尋找到具有預測能力的答案，這便是建模能力外顯特質——“操作工作”。學生在“操作工作”的過程中如發現使用已有的概念建構的心智模型無法解釋現象，需要修改或添加新的概念，這時就需要重復“面對方式”和“概念化”這兩種內部心理活動，從現象中建構新的心智模型，再通過“操作工作”來驗證，直到能夠解釋最初的情境問題，此時心智模型與概念模型幾乎一致。至此學習者建模才算成功。從建模能力的內隱和外顯特質在建模實踐過程中的相互作用可以看出，建模的過程是內外相互作用的循環過程。學生面對情境或現象時，為了解釋情境問題會從自己已有的經驗出發調動相關概念。學生使用概念來表征現象，建構解釋問題的心智模型。心智模型只存于個人頭腦之中，要想驗證首先需要進行表達，還需要通過科學的分析流程來尋找答案。在“操作工作”的過程中，不斷修改或添加概念完善心智模型，最終可使心智模型趨向于概念模型（如圖1）。三、“電源模型”建構及“閉合電路歐姆定律”教學所有的教學行為都應該以學生的已有知識為起點。歐姆定律是初中物理的重要內容，學生掌握得比較扎實，能夠運用歐姆定律分析純電阻電路中除電源以外的各部分的電流、電壓和電阻的關系，而對電源的認識則停留在“給電路提供電壓”的認知階段。這樣的認識會影響學生對電動勢、內阻等概念的理解，也就造成他們無法正確分析全電路各部分的電學參量間的關系。因此，讓學生經歷建構電源及全電路的模型的過程是本節課的重點。教學事件1：通過故事創設問題情境。教師展示一段生活中小故事的視頻：一天晚上，小聰和幾個同學正聚精會神地玩著新買的玩具無人機。飛了幾個來回，正在興頭上，無人機卻飛不起來了。小明說：“是電池沒電了。”小聰把電池拆下來就想隨手扔進廢電池回收箱。小明卻說：“先別扔，放在電子鐘上還能再用一段時間。”學生思考：既然沒電了，為什么電池在電子鐘上還能用一段時間呢？教學事件2：引導學習者分析情境問題，調用相應概念。教師：為什么對于無人機來說電池沒電了，對于電子鐘來說電池又有電了？“沒電”意味著什么？學生：應該意味著電池不足以為無人機提供足夠大的電壓，因此對于小飛機來說沒電了。教師：用過的舊電池的電壓真的變小了嗎？我這里有兩節規格一樣的新舊電池。我們不妨用電壓表測一測新舊電池兩端的電壓。教師展示規格都是1.5V的兩節新舊電池，然后將電壓表分別接在電池兩端進行測量，發現兩次測量結果都在1.5V左右。教師：根據剛才的測量結果我們發現新舊電池的“電壓”并沒有發生明顯的變化，說明舊電池也“有電”，但新的電池可以讓無人機正常起飛，而舊電池卻不行。雖然是同樣的用電器，兩種情況下電源能為用電器提供的電壓卻不相同，說明電池自身的某些特征發生了變化。教學事件3：引導學生概念化情境問題，建立初始心智模型。教師：我們暫且將電池部分稱為“內電路”，電池以外的其他部分稱為“外電路”。觀察剛才的現象可以發現，當改變電源或改變外電路的時候，電路中的電流和外電路兩端的電壓——路端電壓都會發生變化。這種變化有何規律？教學事件4：引導學習者表征心智模型，設計實驗，尋找答案。學生分析后發現要研究的物理量很多，所以就先討論在電池不變的情況下，外電路發生變化的時候的規律。教師引導學生根據研究目的思考實驗探究所需要的元件和電路。學生提出基本的器材有電池、滑動變阻器、電壓表、電流表，以及導線和開關等（本組實驗所用電池規格為4V的可充電電池）。教師進一步引導學生畫出電路圖（如圖2），在學生基本得到合理構想的情況下出示電路板（如圖3），并詢問學生從實驗中能測量哪些物理量。學生：路端電壓和電流。教師：我們使用滑動變阻器改變外阻大小，利用DISlab電學實驗裝置的電壓和電流傳感器來測量路端電壓和電流，請學生按圖連接好電路進行實驗，由大到小改變滑動變阻器阻值，同時記錄下多組電流表和電壓表數值。教師：表1和表2是兩個小組的實驗數據。發現他們的數據的共同點是路端電壓都是隨著電流的增大而減小。要知道U和I間的定量關系，我們可以將采集到的數據利用DISlab的數據處理功能分析U

和I的關系。學生：U隨I的增大而減小，存在線性關系。教師對U-I圖像進行線性擬合，得到函數關系式。教師：我們擬合的圖像是一條傾斜的直線，圖像斜率的單位是什么？學生：圖像斜率的單位是電阻，并且斜率是一個定值，是否說明可能存在一個定值電阻？教師：電源外部的電路是變化的，那這個定值電阻應該來自電源內部的，我們暫且稱其為“內阻”。比較一組和二組電池內阻有什么區別（如圖4和圖5）。學生：一組的斜率比二組小，說明一組電池的內阻較小。教師引導學生認識到圖像可以用函數y=

kx+c來表示。y是測量的路端電壓U，c是截距。我們用r表示電池內阻，用E表示截距，則表達式為U=E-Ir。進一步思考，可知Ir表示的也是一個電壓值，又與內阻有關，說明電源上也要分擔電壓值。內外電路電壓之和為一個定值，即U+Ir=E"""""""""""""①E為定值，由于實驗過程中改變的是外電路，而電源沒變，所以E應與電源本身的性質有關，反映電源將其他形式的能轉化為電能的本領，也就等于上次課學習的電動勢。比較一組和二組電池的電動勢有什么區別。學生：二組截距比一組大，因此二組實驗所用電池的電動勢較大。教師：由①式可知電流為0時路端電壓U等于定值E；外阻減小時，電流I會增大，路端電壓U會隨著電流的增大而減小，但是與電源相關的兩個物理量，電動勢和內阻卻不會改變。對于外電路，由于U=IR，可以進一步得到電路中的電流②式表明，流過全電路的電流跟電路中電源電動勢成正比，跟電路中內、外電阻之和成反比。這便是全電路的歐姆定律，也稱之為閉合電路歐姆定律。教師：剛才我們直接用電壓表接在電源兩端進行測量，因為電壓表的電阻非常大，所以電路中的電流幾乎為0。根據公式可知，此時測得的電壓約等于電源電動勢，測量的結果說明新舊電池的電動勢基本相同，但舊電池的內阻會增加很多。現在大家可以分析新電池可以讓無人機正常工作，而舊電池卻不行的原因嗎？學生：舊電池的內阻比新電池的大，因此電路接通時內電路的電壓會比較高。由于電動勢是個定值，于是路端電壓就變低，不能提供足夠的電壓使無人機正常運行。至此，學生基本能夠理解閉合電路歐姆定律，并且能夠將定律、實驗和物理現象結合起來。核心是建構起了電源模型，即所有的電源都可以用電動勢和內阻兩個物理量來描述。所有的穩恒電路都可以以電源為界分為內電路和外電路，而電路中的電流和各部分的電壓分配都取決于電源電動勢和內外電路的電阻關系。四、建構取向下的建模教學模式由以上“閉合電路歐姆定律”的案例分析可知，學生很難自主地調動各要素進行建模。要培養學生的建模能力，教師可以參照建模循環模型設計建模活動，逐步引導學生主動調動建模實踐能力的各個要素展開教學。具體模式如下。（一）創設生動的問題情境學生能否正確解決情境問題，取決于面對該情境問題能否從概念域中正確選擇情境問題并調動相應的概念。首先，應選取有關自然物理現象、生產生活實踐、重大科技工程的問題進行教學，使學生感覺物理就在身邊，激發學生的學習興趣，增強學生的探索意識。其次，所創設的情境不能太過復雜，最好僅需要啟動單一的認知活動，即面對問題時只需調動某一知識點，借此引入本節課所需要的重要概念。（二）幫助學生分析情境問題，調動相應概念或引入新概念學生面對情境或現象時，為了解釋情境問題會從自己已有經驗出發調動相關概念，教師要利用誘導性的提問，將學生的思路從經驗層級引導向映射層級，即從指導學生基于日常生活經驗或了解的零散事實來描述和說明，到指導學生把觀測到的事物特征與相關科學概念建立映射聯系，讓學生基于事實經驗解釋相關概念的含義。（三）引導學生概念化情境問題，建立初始心智模型教師在幫助學生調動或引入必要的與情境問題相關的物理概念后，引導學生使用概念來表征現象，建構解釋問題的心智模型。這一步是教師幫助學生對情境問題或現象進行抽象表征，是對研究對象和研究過程進行去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里的改造和加工的過程。（四）引導學習者表征心智模型，設計實驗，尋找答案心智模型只存在個人頭腦之中，要想進一步研究，學生首先需要對現象或問題進行明確的表達，并通過科學的分